Основные компоненты химического состава природных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Основные компоненты химического состава природных вод

Сыктывкар 2014

Содержание

• 1. Химический состав природных вод
• 1.1 Главные ионы
• 1.2 Растворенные газы
• 1.3 Микроэлементы
• 1.4 Биогенные вещества
• 1.5 Органические вещества
• 1.6 Загрязняющие вещества
• 2. Факторы формирования химического состава природных вод
• 3. Классификация природных вод по химическому составу
• 3.1 Классификация природных вод по степени минерализации
• 3.2 Классификация природных вод, предложенная О.А.Алекиным
• источники

• 1. Химический состав природных вод

Химический состав природных вод - это совокупность растворенных в природных водах минеральных и органических веществ в ионном, молекулярном, комплексном и коллоидном состояниях. В настоящее время в природных водах обнаружены около 80 известных на Земле химических элементов. При повышении чувствительности аналитических методов, очевидно, будут установлены и остальные. Распределение химических элементов в водных объектах определяется типом природной системы и свойствами самих элементов (их распространенностью в земной коре и растворимостью в воде). Химический состав природных вод представляет собой сложный комплекс растворенных газов, различных минеральных солей и органических соединений. Вещества, содержащиеся в природных водах, подразделяют условно на несколько групп.

1.1 Главные ионы

Главные ионы (макрокомпоненты природных вод) -- растворенные в воде твердые минеральные вещества в ионном и молекулярном состоянии, количественно преобладающие в природных водах. Они составляют в пресных водах свыше 90--95%, а в высокоминерализованных -- свыше 99% всех растворенных веществ. Их концентрации не должны быть ниже 1 мг/л. В природных водах преобладают три аниона (гидрокарбонат НСО^-₃, хлорид Cl^- и сульфат SO^2-₄) и четыре катиона (кальций Са²⁺, магний Mg²⁺, натрий Na⁺ и калий К⁺) -- именно их называют главными (или основными) ионами. Хлорид-ионы придают воде солёный вкус, сульфат-ионы, ионы кальция и магния -- горький, гидрокарбонат-ионы - безвкусны.

Большинство природных вод относится к гидрокарбонатному типу, где между угольной кислотой и ее анионами устанавливается подвижное равновесие. Гидрокарбонатные ионы встречаются во всех природных водах, кроме кислых, и доминируют в водах низкой и умеренной минерализации. Накопление в водах ионов НСO₃- лимитируется присутствием кальция, образующего с ним слаборастворимую соль. Содержание гидрокарбонатных ионов в поверхностных водах обычно редко превышает 250 мг/л, а в водах северных водоемов и ряда горных рек концентрация их составляет около 50 мг/л. В подземных водах при наличии больших количеств диоксида углерода оно значительно повышается (нарзан -- 1,24 г/л). Значения рН большинства природных вод обусловлены наличием в них именно этих ионов. Кислоты и основания, попадающие в природную воду, нейтрализуются растворёнными в ней углекислым газом и гидрокарбонат-ионами:

H⁺ + HCO₃^- - H₂O + CO₂^

OH^- + CO₂ - HCO₃^-

Гидрокарбонат-ионы нейтрализуют кислоты, попадающие в водоём с атмосферными осадками или образующиеся в результате жизнедеятельности организмов. С концентрацией гидрокарбонат-ионов напрямую связана устойчивость водоёмов к кислотным дождям. Первичным источником НСO₃- и СO₃^2- служат различные карбонатные породы (известняки, доломиты, мергели и др.), карбонатный цемент осадочных пород и иногда магматические процессы (локальное значение). Преобладание гидрокарбонатных ионов для большинства рек объясняется соприкосновением речных вод преимущественно с относительно хорошо промытыми верхними слоями почв и пород и поэтому бедными легкорастворимыми хлоридами и сульфатами.

Хлоридные ионы присутствуют почти во всех природных водах. В речных водах и водах пресных озер их содержание колеблется от долей миллиграмма до десятков, сотен, а иногда и тысяч миллиграммов на литр. В морских и подземных водах содержание хлоридов значительно выше - вплоть до пересыщенных растворов и рассолов. Хлориды являются преобладающим анионом в высокоминерализованных водах. Основными естественными источниками поступления хлоридов в природные воды являются: 1) вынос из почв и водовмещающих пород; 2) принос хлоридов ветром и атмосферными осадками из океана 3) растворение солевой пыли, содержащейся в атмосфере. Все хлориды хорошо растворимы, их осаждение из воды возможно лишь при замерзании и испарении. Они относительно слабо подвержены ионному обмену, адсорбции и воздействию биологических факторов. Таким образом, если в водном растворе оказался хлорид, естественные процессы с трудом выводят его из раствора. Повышенное содержание хлоридов ухудшает вкусовые качества воды и делает ее малопригодной для питьевого водоснабжения, ограничивает ее применение для многих технических и хозяйственных целей. Помимо естественных источников, хлориды попадают в водоемы с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами. Концентрации хлоридов и их колебания, в том числе суточные, служат одним из критериев загрязненности водоема хозяйственно-бытовыми стоками.

Сульфатные ионы, так же как и хлоридные, распространены повсеместно в природных водах. Концентрация их колеблется в пределах 0,2-100 мг/л. Наименьшая концентрация сульфат-иона наблюдается в атмосферных осадках. В речных водах и в воде пресных озер содержание сульфатов изменяется от 5 до 60 мг/л; в дождевых -- от 1 до 10 мг/л; в подземных водах значительно выше и нередко достигает десятков промилле. Природные воды, в химическом составе которых преобладают сульфатные ионы (SO₄^2-) (по количеству эквивалентов), называются сульфатными водами. Относительное содержание сульфатов составляет в таких водах более 25%. Химический состав сульфатных вод связан с растворением солей, содержащихся в осадочных породах. В поверхностные воды сульфатные ионы поступают главным образом за счет процессов химического выветривания и растворения сульфатсодержащих минералов (гипса, ангидрита и др.); выщелачивания солончаков; окисления сульфидов и серы; биохимических процессов разложения органических веществ, а также со сточными водами промышленных предприятий и сельскохозяйственного производства. Сульфаты обладают хорошей миграционной способностью, но уступают хлоридам. Коллоиды почв почти не задерживают SO₄^2-. Содержание сульфатов в природных водах лимитируется присутствием в воде ионов кальция Са²⁺, так как образуемое ими соединение CaSO₄ -- малорастворимое. Сезонная динамика сульфатов в поверхностных водах определяется меняющимся соотношением между поверхностными и подземными водами, а также влиянием окислительно-восстановительных процессов и биологической обстановки в водном объекте. Повышенное содержание сульфатов ухудшает органолептические свойства воды и оказывает физиологическое воздействие на организм человека.

Ионы кальция - наиболее распространенный катион природных вод. Они поступают в воду в результате выщелачивания из пород и почв. Содержание кальция в водах лимитируется концентрацией СО₂. Поверхностные воды при равновесии с атмосферным углекислым газом могут содержать 20-30 мг/л кальция при насыщении. Содержание иона кальция в поверхностной воде увеличивается до 40-50 мг/л за счет комплекса двуокиси углерода, гидрокарбоната и карбоната кальция. В сульфатных водах содержание иона кальция определяется растворимостью сульфата кальция и может быть довольно высоким (до 600 мг/л). При увеличении двуокиси углерода концентрация кальция в почвенной воде достигает 100 мг/л и более. химический минерализация природный вода

Ионы магния по своим геохимическим свойствам близки к ионам кальция. Растворимость карбоната магния также зависит от наличия двуокиси углерода. В условиях равновесия с углекислым газом атмосферы в природные воды поступает до 190 мг/л магния. В почвенных водах с повышенным содержанием двуокиси углерода количество растворенного магния значительно возрастает. Концентрация магния в воде обычно составляет от 1 до 40 мг/л. Вода, контактирующая с породами, богатыми магнием, может содержать до 100 мг/л Mg²⁺, но более высокие концентрации редки, за исключением морской воды и рассолов.

Концентрация ионов натрия в природных водах колеблется для поверхностных вод от 0,6 до 300 мг/л в зависимости от физико-географических условий и геологических особенностей водных бассейнов, для подземных - от миллиграммов до граммов и десятков граммов в литре, что определяется составом водовмещающих пород и глубиной залегания подземных вод. Основным источником поступления ионов натрия в поверхностные воды суши являются изверженные и осадочные породы, самородные растворимые хлористые, сернокислые и углекислые соли натрия. Большое значение также имеют биологические процессы, протекающие в водосборе, в результате которых образуются растворимые соединения натрия. Натрий поступает в природные воды также с хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами и с водами, сбрасываемыми с орошаемых полей. В поверхностных водах натрий мигрирует преимущественно в растворенном состоянии.

Источником поступления в поверхностные воды ионов калия являются породы (полевой шпат, слюда) и растворимые соли. Различные растворимые соединения калия образуются также в результате биологических процессов, протекающих в коре выветривания и почвах. Ионы калия поступают в природные воды с хозяйственно-бытовыми, промышленными сточными водами и с водами, сбрасываемыми с орошаемых полей. Для калия характерны склонность сорбироваться на высокодисперсных частицах почв, пород, донных отложений и задерживаться растениями в процессе их питания, роста. Это приводит к меньшей подвижности калия по сравнению с натрием, и поэтому калий находится в природных водах, особенно поверхностных, в более низкой концентрации, чем натрий. Концентрация в речной воде обычно не превышает 18 мг/л. В подземных водах, как и у натрия, концентрация колеблется от миллиграммов до граммов и десятков граммов в литре, что определяется составом водовмещающих пород и глубиной залегания подземных вод.

Кроме ионов HCO₃-, CO₃^2-, SO₄^2-, Cl^-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺ , которые являются преобладающими анионами или катионами в большинстве типов поверхностных и подземных вод регионального распространения, к главным ионам океанических, морских и некоторых подземных вод можно отнести J-, Br^-, B³⁺, Sr²⁺ и др.; H₂SiO₃ -- в некоторых локальных типах грунтовых вод с очень малой минерализацией; Fe³⁺, Fe²⁺, Al³⁺ преобладают в природных водах с низкими значениями рН, а также нередко нитраты (NO₃-) и ионы аммония (NH₄) в поверхностных водах. Суммарная концентрация растворенных в природных водах веществ, представленных главными ионами, называется суммой ионов (? _и). В поверхностных водах суши она, как правило, соответствует минерализации воды.

1.2 Растворенные газы

Растворенные газы (газовый состав природных вод). Во всех природных водах растворены газы, некоторые содержат и свободный (спонтанный) газ, образующий пузырьки. Содержание газов в водах, как правило, невелико, однако их геохимическая роль не пропорциональна массе - огромное значение имеет высокая химическая активность и миграционная способность газов. Наиболее широко распространены в поверхностных водах кислород O₂ и двуокись углерода CO₂, а в подземных - сероводород H₂S и метан CH₄. Иногда CO₂ в значительных количествах может насыщать также воды глубоких горизонтов. Кроме того, во всех природных водах постоянно присутствует азот N₂. Реже встречаются водород, ближайшие гомологи метана - этан, пропан и бутан, а также окись углерода, закись азота и другие.

1.3 Микроэлементы

Микроэлементы - элементы, встречающиеся в малых количествах (их концентрация измеряется микрограммами в 1 л (мкг/л), а часто имеет и более малые значения) и не обусловливающие тип вод, но сильно влияющие на специфику состава вод. В сумме составляют менее 0,01%, от всех растворенных веществ. Микроэлементы представляют собой самую большую группу элементов химического состава природных вод. Условно их делят на пять подгрупп: 1) типичные катионы (Li⁺, Rb⁺, Cs⁺, Be²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ и др.); 2) ионы тяжелых металлов (Cu²⁺, Ag⁺, Au⁺, Pb²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺, Co²⁺ и др); 3) амфотерные комплексообразователи (Cr, Mo, V, Mn); 4) типичные анионы (Br^-, I^-, F^-); 5) радиоактивные элементы. Несмотря на низкие концентрации, изучение микроэлементов в водах представляет большой интерес, как в теоретическом отношении, так и для решения многих практических вопросов. Состав микроэлементов указывает на геологическую историю воды. Они исследуются при поисках месторождений нефти, газа, солей и полиметаллов; изучаются и с бальнеологической точки зрения, т. к. некоторые микроэлементы придают водам лечебные свойства. Многие из них даже в ничтожных концентрациях влияют на жизнедеятельность растений и животных, являясь биологически активными. Они необходимы для нормальной жизнедеятельности растений, животных и человека. Однако при повышенной концентрации многие микроэлементы вредны и даже ядовиты для живых организмов. Поэтому часто они становятся загрязняющими веществами и концентрация их контролируется. Недостаток или избыток их в природных водах вызывает местные заболевания людей и животных, называемые эндемиями (постоянное наличие в данной местности определённых заболеваний, обусловленных ее природными особенностями и своеобразием условий жизни населения.)

1.4 Биогенные вещества

Биогенные вещества - минеральные вещества, наиболее активно участвующие в жизнедеятельности водных организмов. К ним относятся: соединения азота (NH₄⁺, NO₂^-, NO₃^-), фосфора (Н₂РО₄^- , НРО₄^2-, РО₄^3-), кремния (HSiO₃^-, SiO₃²), углерода, и некоторых микроэлементов. В природные воды биогенные вещества поступают главным образом при распаде животных и растительных организмов, жизнедеятельность которых протекает в водной среде, с площади водосбора и со сточными водами. Концентрация биогенных веществ в природных водах обычно невелика и, как и режим биогенных веществ в водных объектах, сильно зависит от температуры воды, которая определяет интенсивность жизнедеятельности организмов и процессы образования и разложения органических веществ.

1.5 Органические вещества

В воде водоемов содержится большое количество самых разнообразных органических веществ. Их происхождение связано с продуктами метаболизма живых организмов и веществами, образовавшимися при их распаде. Органические вещества также поступают в водные объекты с атмосферными осадками; с поверхностным стоком, в результате взаимодействия атмосферной влаги с почвенным и растительным покровом на поверхности водосбора; в результате внутриводоемных процессов образования органического вещества; поступлений из других водных объектов, из болот, торфяников, с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами и с водами, сбрасываемыми с орошаемых земель. Состав органических веществ природных вод чрезвычайно разнообразен и зависит от его происхождения. Это и весьма сложные высокомолекулярные соединения типа белков, полисахаридов и простейшие -- метан, формальдегид, низшие жирные кислоты, амины и др. Распространенную группу представляют гуминовые и фульвокислоты, придающие воде специфические свойства. Органические вещества в природных водах находятся в истинно-растворенном состоянии (размер частиц 0,001 мкм), коллоидном (0,001-0,1 мкм) и часть более крупных частиц в состоянии взвеси (обычно до 150-200 мкм). Они образуют динамическую систему, в которой под действием физических, химических и биологических факторов непрерывно происходят переходы из одного состояния в другое. В водах морей и океанов основная масса органического вещества находится в истинно-растворенном и коллоидном состояниях. По происхождению органическое вещество делят на аллохтонное (поступающее с водосбора) и автохтонное (образующееся в самом водоеме). С санитарно-гигиенической точки зрения органические вещества в природных водах можно разделить на две группы: 1) продукты распада растительных и животных остатков (не ядовиты и в гигиеническом отношении безвредны); 2) продукты разложения разнообразных отходов, попадающих в водные объекты со сточными водами (как правило, являются благоприятной средой для развития болезнетворных микроорганизмов).

1.6 Загрязняющие вещества

Загрязняющие вещества - это все вредные вещества природного или антропогенного происхождения, попавшие в гидросферу, сделавшие ее непригодной для нужд человека, флоры и фауны и представляющие опасность для существования биологических видов, находящихся в ней. Наиболее распространенными веществами, загрязняющими воду, являются органические соединения, соли тяжелых металлов, а также нефтепродукты и другие химические выбросы промышленных предприятий. Загрязнителями природных вод являются целлюлозно-бумажные комбинаты (сбрасывают минеральные соли и серосодержащие соединения, в том числе высокотоксичный CS₂, фенолы), предприятия цветной металлургии и металлообработки (сбрасывают тяжелые металлы и кислоты), предприятия органического синтеза (сбрасывают различные органические вещества). Кроме того, мощный загрязнитель окружающей среды - бытовая канализация, по которой в водоемы попадают поверхностно-активные вещества (ПАВ) и легкоокисляющаяся органика. Огромные массы загрязняющих веществ (в первую очередь, удобрений и ядохимикатов) стекают в водоемы с сельскохозяйственных полей. Автомобильный транспорт загрязняет водоемы нефтепродуктами.

2. 

2. Факторы формирования химического состава природных вод

Сложность химического состава природных вод определяется не только присутствием в них большого числа химических элементов и многообразием их форм и соединений, но и разным содержанием каждого из них, которое к тому же меняется в различных типах вод (атмосферные осадки, поверхностные и подземные воды), что связано с особенностями условий их формирования. Под формированием химического состава природных вод понимается совокупность процессов, приводящих к образованию того или иного химического состава природной воды. Количество растворенных веществ в воде будет зависеть, с одной стороны, от состава тех веществ, с которыми она соприкасается в процессе своего круговорота, с другой -- от условий, в которых происходили эти взаимодействия. Факторы, определяющие формирование химического состава природных вод могут быть разделены на прямые и косвенные. Прямые -- факторы, непосредственно влияющие на состав воды (т.е. действие веществ, которые могут обогащать воду растворимыми соединениями, или, наоборот, выделять их из воды). К ним относятся: горные породы, живые организмы, обмен с другими типами природных вод, а также деятельность человека. К косвенным относятся факторы, определяющие условия, в которых протекает взаимодействие веществ с водой: климат, рельеф, водный режим, растительность, гидрогеологические и гидродинамические условия и пр. Каждому типу природных вод (атмосферные осадки, поверхностные и подземные воды) соответствует определенный набор прямых и косвенных факторов формирования химического состава их вод (табл.1).

Таблица 1.

Факторы формирования химического состава поверхностных вод суши

3. Классификация природных вод по химическому составу

Для систематизации представлений о химическом составе и минерализации различных типов природных вод (а также водных объектов) используются классификации, в основу которых положены разнообразные принципы.

Классификация природных вод по химическому составу - распределение химического состава природных вод на классы по определенным признакам, которое составляет систему. Основой для систематизации в существующих классификациях служат следующие признаки: минерализация воды, концентрация преобладающего компонента или их групп, соотношение между концентрациями разных ионов, наличие повышенных концентраций каких-либо специфических компонентов газового (CO₂, H₂S, CH₄ и др.) или минерального (F, Ra и др.) состава. Универсальной классификации пока не существует.

3.1 Классификация природных вод по степени минерализации

Минерализация воды - количество (концентрация) растворенных в воде твердых минеральных веществ, находящихся в виде ионов, а также и коллоидов. Минерализацию пресных вод принято выражать в мг/л или г/л, соленых вод, рассолов - в г/л или процентах (%), иногда в г/кг. В зависимости от практического применения существует несколько видов классификации природных вод по степени минерализации. Наиболее часто используется классификация, представленная в табл.2.

Таблица 2.

Классификация природных вод по степени минерализации

3.2 Классификация природных вод, предложенная о.а.алекиным

Классификация природных вод по химическому составу, предложенная О.А.Алекиным (рис.1., табл.3), считается наиболее приемлемой для вод, используемых в питьевых и хозяйственно-бытовых целях. В ее основу положены два принципа: преобладающих ионов и соотношения между ними. По преобладающему аниону воды делятся на три класса: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные. Воды каждого класса делятся, в свою очередь, по преобладающему катиону на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую. Каждая группа подразделяется на 4 типа по соотношению содержащихся в воде ионов (в эквивалентах).

Рис. 1.

Классификация природных вод по химическому составу

Таблица 3.

Классификация природных вод по химическому составу

*) Воды IV типа принадлежат только к сульфатному и хлоридному классу.

Размещено на Allbest.ru